JPH01162720A - 水車ランナの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、水車ランナにおいてその水流に接触する領域
の母材の表面層に圧縮の残留応力を付与しかつ表面硬化
層を形成する熱処理方法に関する。

〔従来の技術〕

水車の種類には、フランシス水車、カブラン水車、ペル
トン水車あるいはポンプ水車などがあり、これらはいず
れも水車の運転中に圧力変動によって、水車ランナが繰
り返しの負荷をうける。この負荷により長期間使用され
ると、金属の疲労に起因する疲労割れが水車ランナに発
生する。また前記の繰り返しの負荷とは別に、長期の使
用でキャビテーシ、ン壊食や土砂摩耗浸食をうける。

第２図は横軸形のペルトン水車の正面の断面図で、この
第２図によって前記の疲労割れなどを説明する。第２図
において、入口曲管１に導かれた圧力水は、ノズル２で
加速され、高速のジェット水３となってランナデイヌク
４の外周に取り付けであるパケット５（こ水動を加えて
、ランナディスク４に複数個のパケット５を取り付け、
このランナディスク４をケーシング６で支承される水車
軸７に取り付けた水車ランナ８を回転させて仕事をした
のち、下部放水路９に排出される。ジェット水３の流量
は、ノズル２の中に設けたニードル１０の軸方向位置を
、図示を省略したサーボモータによって移動させ、ノズ
ル２の開口部とニードル１０とのすき間を開閉して調節
している。ペルトン水車を急停止するには、まずデフレ
クタ１１を時計回り方向に回転させて全閉状態としてジ
ェット水３の方向をパケット５からそらし、引続いてニ
ードル１０を全閉状態として水流を止めることによって
行なう。

この種のペルトン水車の水車ランナ８はランナディスク
４とパケット５とが一体構造のものもあるが、通常使用
されるものはランナディスク４にパケット５を取り付け
る構造のものが一般的である。この取り付は構造のパケ
ット５は、第３図の正面図、第４図の側面図に示す構造
のものが一般に知られており、ランナディスク４にパケ
ット５がボルト１２．す、ト１３で固定されて構成され
ている。第３図における３ａ、第４図における３ｂはジ
ェット水３の相対流れを示し、パケット５はわん曲面５
ａに水動力を受けて回転し、所定角度回転するとこの水
動力から解放されフリーとなり、水車運転中はパケット
５のわん曲面５ａには（１）繰返しの引張応力が発生す
る。

パケット５は全体的−こ厚みの変化が著るしく作られ、
特にジェット水３の入口側５ｂのリップ部５Ｃは、ジェ
ット水３の衝突抵抗をできるだけ少なくするためにその
肉厚は他の部分より著るしく薄く作られている。す、ブ
部５Ｃの肉厚を薄くすればする穆水車効率を高めること
ができる。

一方バケ、ト５には（２）キャビテーション壊食がある
。これは水の流れの中の速度変化に伴う圧力変化によっ
て生じたキャビテーション（気泡）が崩壊する際に衝撃
波を発生し、これによりバケ。

ト５のわん曲面５ａの表面部が壊食されるものである。

またパケット５には（３）土砂摩耗浸食がある。

これはジェット水３中に土砂が混入している場合に、そ
の土砂が水と共にパケット５のわん曲面５ａの表面部に
衝突接触し、その繰返しによりわん曲面５ａ部に摩耗を
生じるものである。

前記の（１）繰返しの引張応力による疲労、（２）キャ
ビテーション壊食及び（３）土砂摩耗浸食を受ける当該
領域は、どの種類の水車ランナでもほぼ同位置で、ペル
トン水車の場合はパケット５のわん曲面５ａである。こ
れらの現象に耐えるように、従来はパケット５の材料に
高級合金鋼を使用して熱処理を行って繰返し引張強度の
向上を計ったり、わん曲面５ａに高硬度の材料を肉盛り
溶接する表面処理を行うことが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記の（１）繰返しの引張強度の向上を計るため、特に
リップ部５Ｃの肉厚を薄くして水車効率を高めると繰返
し引張応力が大きくなるため、通常使用されているマル
テンサイト系ステンレス鋼の材料特性を超える疲れ限度
の高い材料でパケット５を製作する必要があるが、この
ような材料を使用す。

ると材料費、加工費が増大し、水車がコスト高となり、
経済的に得策でないという問題がある。

前記のに）キャビテーション壊食、（３）土砂摩耗浸食
の耐性を向上させるためには、従来使用されているマル
テンサイト系ステンレス鋼の材料特性を超える耐摩耗強
度を有する材料でパケット５を製作する必要があるが、
このような材料を使用すると材料費、加工費が増大し、
水車がコスト高となり、経済的に得策でないという問題
がある。

前記の（１）の繰返し引張強度を向上させる手段として
は、バケット５全体を電気炉中で所定の温度まで均一に
加熱（下限を４００　’Ｃ、上限を母材の組織がオース
テナイト変態を開始する温度とする温度範囲）した後、
水吹き付は冷却によってパケ。

ト５の当該領域に残留応力を残存する方法がとられてい
る。しかし、この方法は全体を電気炉中で加熱するとい
う繁雑さがあり、また熱処理を必要とする当該領域以外
も同時に加熱する必要があり、特に水車ランナが一体構
造で大形なものになると、加熱エネルギのロスがあり、
処理コストが高くなる問題点がある。また水吹き付けは
、加熱品を電気炉から取り出した直後、温度変化が起き
る前にすばやく且つ当該領域全体を均一にむらなく行う
必要があり、作業には熟練を要するという問題がある。

前記の（２）キャビテーション壊食と（３）土砂摩耗浸
食に対しては耐摩耗性を向上させるが、その手段として
は、例えばセラミック複合金属のような高硬度の材料を
当該領域に溶接で肉盛りする方法が従来から知られてい
る。しかし、高硬度特性をもたせる関係上、脆い材料で
あるセラミックを含有しているため肉盛り部に割れが発
生しやすいが、割れを発生させないためには溶接作業に
熟練を要する問題がある。また、溶接熱による母材側へ
の熱影響が現われ、溶接部と母材との境界部に脆弱部が
発生したり、引張応力等の有害な残留応力が残留するな
どの問題がある。

本発明は、前記の従来例の問題点を解決し、簡単な方法
で水車ランナ８の当該領域に圧縮応力を残存させて、繰
り返し引張応力による疲労に対する疲れ強さを高め、か
つ表面硬化層を形成させることによって耐摩耗性を高め
て、水車ランナ８の水流に接触する当該領域を熱処理す
る経済的な方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の問題点を解決するために、本発明は、水動力を受
けて回転する合金鋼の母材からなる水車ランナにおいて
、繰り返し応力に対する耐疲労。

耐キヤビテーシヨン壊食および耐土砂摩耗浸食の緒特性
の付与を必要とする水車ランナの流水に接触する当該領
域の表面に、まず熱吸収を助長する黒色塗料を塗布した
後、三次元走査可能のならい機構を使用してレーザビー
ム照射部と当該領域の加熱位置との間隔を一定に保ちな
がらレーザビームで当該領域を走査し、レーザビームの
高エネルギ密度の熱源によって局部的に表面層をごく短
時間に熱処理温度に到達させ、その後にレーザビームが
移動して加熱が中断されて熱が母材内部に伝導する自己
冷却によって焼入れが行われるレーザビーム焼入れによ
り、当該領域表面に圧縮の残留応力を付与しかつ表面硬
化層を形成するものとする。

〔作用〕

本発明によれば、水車ランナの流水に接触する当該領域
例えばペルトン水車の場合であればバケ、トのジェット
水入口側のり、プ部近傍のわん曲面の当該領域に、レー
ザビーム焼入れの熱処理を施したため、当該領域表面に
圧縮の残留応力を付与しかつ表面硬化層を形成すること
ができ、水車運転中のジェット水の接触による繰り返し
引張応力による疲労に対する疲れ強さを高め、かつ耐摩
耗性を高めることが可能となる。また繁雑な作業。

熟練を要せず熱処理ひずみの少ない熱処理を容易に行う
ことができる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図によって説明する。第１図はペ
ルトン水車のパケット５の要部正面図で、前記の第３図
の正面図の上半分に相当する図である。パケット５は幅
Ｓが約２５Ｑｆｌｌ１１．長さＬが約２３０鶴、厚さは
ジェット水入口側５ｂのり、プ部５Ｃのわん白点Ｐにお
いて最小となりその厚さは約５冒菖、最大厚さ部分の厚
さは約７５！Ｉ１１の大きさのものである。またパケッ
ト５の母材は、マルテンサイト系ステンレスｆｆ１ｆｌ
（１３％クローム、４％二、ケル）であり、前記のこの
パケット５はペルトン水車のパケットの中では小形に属
する。

このパケット５１こ効果的な疲れ強さを付与するために
は、す、プ部５Ｃ近傍のわん曲面５ａの当該領域に１０
〜２０ｋｇｆ／ｚｄ程度の圧縮応力を残在させることが
必要である。また必要な耐摩耗性をもたせるには、この
当該領域の表面かたさを通常の母材のビッカースかたさ
Ｈｖ　４５０程度に対して、Ｈｖ５５０以上にすること
が要求される０本発明は前記の圧縮応力を残在させるこ
とと、表面かたさを高めることとの２要件を同時に満足
させる熱処理を行なうものであり、この熱処理はレーザ
焼入れによって行なう、熱処理の対象となる凹側のリッ
プ部５ｃ近傍のわん曲面５ａに、当該領域の表面反射を
防ぎ熱吸収を助長する黒色ペイントやグラファイトなど
の黒色塗料を塗布した後、この当該領域にレーザビーム
を順次照射し、鋼材表面に照射されたレーザビームが表
面近傍で吸収されて表面が鋼材の焼入温度以上に加熱さ
れる。レーザビームが順次移動して行くから、この点で
の加熱が停止されて当該領域内部への熱伝導によって熱
が放散され急速に冷却される、いわゆる自己冷却効果に
よる焼入処理となり、特に水、油などによる強制冷却は
通常やらない。

２００　Ｗ級の００２レーザを用い、当該領域の表面で
焦点を結ばせずに゛照射野が広いレーザビームを使用し
て加熱を平均化している。レーザビームは１０ｒｒｔｍ
／　ｓｅｅ程度の速度で当該領域を順次レーザビームの
幅間隔のピッチで全体にわたって照射した。

レーザビーム照射部とわん曲面５ａとの間隔を、レーザ
ビーム照射中に一定間隔を保持してわん曲面５ａにそっ
て走査できる三次元走査が可能なならい機構によって作
業を行なった。

前記の方法によって得られたペルトン水車のパケット５
の９．プ部５Ｃ近傍の熱処理結果について次に説明する
。第１図においてａないしｆ点は測定位置でこれらの位
置の座標および座標の寸法は第１表に示す通りであり、
Ｊ３ｏ＝３０ｍｓである。

つぎに、各測定位置での圧縮残留応力値（ｋｇｆ／ｍｄ
）を肉厚との関係で第２表に、表面かたさをビッカース
かたさ（Ｈｖ）で肉厚との関係で第３表に示す。

第　　２　　表 第３表 第２表、第３表から所期の圧縮残留応力値０表面かたさ
が得られたことが分る。

なお前記の実施例ではランナディスク４にバケ、ト５を
取り付ける構造のものについて述べたが、本発明はこれ
に限ることなくランナディスク４とパケット５と一体講
造のものにも適用でき、さらにペルトン水車以外のフラ
ンシス水車、カブラン水車の水車ランナやその他の水車
部品に適用することができ、従来例の問題点を解決して
熱処理ひずみが少なく、作業に熟練を要しない経済的な
水車ランナの熱処理方法を提供することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、水車ランナ例えばペルトン水車のパケ
ットのす、ブ部近傍の当該領域に、レーザビーム照射に
よる焼入れ熱処理を行なうことにより、当該領域表面に
圧縮の残留応力と表面硬化の処理を施したため、水車運
転中のジェット水の接触による繰り返し引張応力による
疲労に対する疲れ強さを高め、かつ耐摩耗性を高めるこ
とが可能となる。また繁雑な作業、熟練を要せずに容易
に熱処理することが可能であり、特殊な材料を使用する
こともなく、熱処理は短時間の局部加熱でできるから熱
処理ひずみが少なく経済的な水車ランナの熱処理方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すペルトン水車のパケット
５の要部正面図で、後記する第３図の正面図の上半分に
相当する図、第２図は横軸形のペルトン水車の正面の断
面図、第３図はランナディスク４にパケット５を取り付
ける構造のパケット５の正面図、第４図は第３図の側面
図である。 ３．３ａ、３ｂ・・・ジェット水、４・・・　ランナデ
ィスク、５・・・パケット、５ａ・・・わん曲面、５ｂ
・・・ジェット水の人口側、５Ｃ・・・リップ部、８・
・・水車ランナ、１０・・・ニードル。 代理人弁理士　山　口　　凪（ハ ＼ミー７ 第１図 第２図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）水動力を受けて回転する合金鋼の母材からなる水車
   ランナにおいて、繰り返し応力に対する耐疲労、耐キャ
   ビテーション壊食および耐土砂摩耗浸食の諸特性の付与
   を必要とする水車ランナの流水に接触する当該領域の表
   面に、まず熱吸収を助長する黒色塗料を塗布した後、三
   次元走査可能のならい機構を使用して、レーザビーム照
   射部と当該領域の加熱位置との間隔を一定に保ちながら
   レーザビームで当該領域を走査し、レーザビームの高エ
   ネルギ密度の熱源によって局部的に表面層をごく短時間
   に熱処理温度に到達させ、その後にレーザビームが移動
   して加熱が中断されて熱が母材内部に伝導する自己冷却
   によって焼入れが行われるレーザビーム焼入れにより、
   当該領域表面に圧縮の残留応力を付与しかつ表面硬化層
   を形成することを特徴とする水車ランナの熱処理方法。